فریم‌های کالیبراسیون در عمل: استفادهٔ درست از light، dark، flat و bias

پیش‌پردازش حلقهٔ بسیار مهمی است و من معمولاً وقت زیادی را در همین مرحله صرف می‌کنم. جز خودِ روال کالیبراسیون، بیشتر مراحل را دستی انجام می‌دهم تا مطمئن شوم هر حلقه از زنجیره درست است — به این ترتیب، هر وقت مشکلی پیش بیاید، می‌توانم به‌سرعت علتش را پیدا کنم. و فریم‌های کالیبراسیون (calibration frames) دقیقاً همان پی و بنیاد پیش‌پردازش هستند. این نوشته جمع‌بندی چاله‌هایی است که در این چند سال بر سر فریم‌های کالیبراسیون در آن‌ها افتاده‌ام، و فهم عملی‌ای که اندوخته‌ام.

light، dark، flat، bias و flat dark: نخست آن‌ها را از هم تفکیک کنیم

چهار فریم اصلی کالیبراسیون در عکاسی نجومی عبارت‌اند از فریم light، فریم dark، فریم flat و فریم bias، و فریم flat dark (یعنی فریم dark مخصوص فریم‌های flat) هم به آن‌ها افزوده می‌شود. این ابتدایی‌ترین مفهوم است، اما تعداد کسانی که واقعاً بتوانند به پرسش «تفاوت فریم‌های light، dark، flat، bias و flat dark را به‌اختصار شرح دهید» پاسخ روشنی بدهند، از آنچه تصور می‌کنید کمتر است — بسیاری فقط نام‌ها و معادل‌هایشان را حفظ کرده‌اند، و این با فهمیدن اینکه هر کدام دقیقاً چه کاری انجام می‌دهند یکی نیست.

تصویر بالا توضیحی است که از RBA نقل کرده‌ام و شرح فریم‌های light، dark، bias و flat را در بر می‌گیرد، به‌علاوهٔ اینکه این فریم‌های کالیبراسیون در حالت عادی چه شکلی به نظر می‌رسند. فریم flat dark هم، همان‌طور که گفته شد، چیزی جز فریم dark مخصوص فریم‌های flat نیست و کافی است مفهومش را به قیاس dark در نظر بگیرید. آنچه واقعاً باید به خاطر بسپارید این است که هر کدام مسئول حذف کدام دسته از عیب‌هاست: فریم‌های dark به سراغ نویز حرارتی و جریان تاریک می‌روند، فریم‌های flat به سراغ ویگنتینگ و سایهٔ غبار، و فریم‌های bias به سراغ آفست خواندن (readout offset).

فریم flat: فریمی با بیشترین نکته برای آموختن

در میان چهار فریم کالیبراسیون، flat احتمالاً هم مستعدترین فریم برای دردسر است و هم بیشترین نکته را برای آموختن دارد.

دونات‌ها و سایهٔ موانع در فریم flat

وقتی در نرم‌افزار PixInsight با ScreenTransferFunction (STF) روی فریم flat یک screen stretch انجام می‌دهید و آن را بررسی می‌کنید، می‌بینید که فریم همیشه پر از حلقه‌هایی به شکل «دونات» است؛ آن‌ها در اصل همان غبار روی مسیر نوری هستند. هم‌زمان پدیدهٔ ویگنتینگ را هم می‌بینید، و اگر از OAG استفاده کنید، سایهٔ مانع OAG هم دیده می‌شود.

دقیقاً به همین دلیل، هر تغییری در سیستم نوری — باز و بسته کردن، تنظیم کادر، حتی تنظیم ماسک لنز — یعنی باید فریم‌های flat را دوباره بگیرید. وگرنه موضع دونات‌ها یا سایهٔ موانع با موضع مسدودشده روی فریم‌های light هم‌خوان نمی‌شود، طبیعتاً کالیبراسیون موفق نخواهد شد و در عوض انواع پدیده‌های عجیب پس از کالیبراسیون را می‌سازد.

زمان نوردهی را چطور انتخاب کنیم: یک آزمایش عملی

فریم flat را چقدر باید نوردهی کرد؟ من یک آزمایش عملی انجام دادم. تجهیزات یک تلسکوپ نیوتنی 8 اینچی (اصلاح‌شده) به همراه ASI 2600MC بود؛ در دمای یکسان فریم‌های flat و فریم‌های flat dark متناظرشان را با زمان‌های 10ms، 1s، 5s و 10s گرفتم و پس از کالیبراسیون با چشم غیرمسلح بررسی کردم. دیدم که مجموعهٔ 5s بهترین وضعیت را دارد و در 10ms و 10s هر دو، حاشیه‌ها روشن‌تر شده بود. سپس فریم flat با زمان 5s را بر فریم‌های flat با زمان‌های دیگر تقسیم کردم تا مقایسه شود: مجموعهٔ 1s ظاهراً خراب گرفته شده بود، چون حاصل تقسیم یکسره به سیاهی می‌زد؛ در 10ms یک خط اختلاف از بالا سمت چپ به پایین سمت راست دیده می‌شد؛ اختلاف 10s بسیار کم بود. فریم‌های flat کالیبره‌شدهٔ همهٔ زمان‌ها، موقعیت هیستوگرامشان تقریباً یکسان و کمی چپ‌تر از مرکز بود و هیچ اطلاعاتی هم بریده نشده بود، که نشان می‌دهد تنظیمات عکاسی درست بوده‌است.

نتیجه این است: با کنار گذاشتن سایر متغیرها، این سیستم با فریم flat با زمان 5s بهترین کارکرد را دارد و 10s هم بسیار خوب است، فقط وقت بیشتری می‌برد. باید یادآوری کنم که این «بهترین زمان» نتیجهٔ یک سیستم مشخص است؛ با تعویض تجهیزات باید آزمایش را از نو انجام دهید.

پنل نوری یا نور آسمان؟

جز وقتی که دهانهٔ تلسکوپ بیش از حد بزرگ باشد، به استفاده از نور آسمان برای گرفتن فریم flat فکر نمی‌کنم. فریم‌های flat آسمانی مشکلات کم ندارند: هم از نظر ستاره‌ها (در این نوع فریم اغلب ستاره‌های پرنور ظاهر می‌شوند) و هم از نظر روشنایی (روشنایی هر فریم با فریم دیگر فرق می‌کند) کنترل‌پذیری‌شان ضعیف‌تر است. امروز که چراغ‌های LED با نور قابل تنظیم این‌قدر فراگیر شده‌اند، برای تلسکوپ‌های زیر 25 سانتی‌متر ساده‌ترین راه گرفتن فریم flat همان پنل نوری است — هر جا می‌شود عکس گرفت و اگر فریم خراب درآمد بلافاصله می‌شود دوباره گرفت؛ واقعاً هیچ بهانه‌ای برای نگرفتن فریم flat نمی‌ماند. اگر واقعاً باید از آسمان استفاده کنید، من صفحهٔ پلاستیکی شیری‌رنگ به کار می‌برم و تی‌شرت سفید را توصیه نمی‌کنم. دربارهٔ تعداد فریم‌های flat، 5 تا 10 فریم معمولاً کافی است؛ نکته در زیاد گرفتن نیست، در درست گرفتن است.

دربارهٔ شیوهٔ تنظیم نور پنل هم آزمایش کرده‌ام: فریم flat با زمان 1s را که با تنظیم نور PWM (که سوسو می‌زند) گرفته شده بود، با فریم flat با زمان 4s که با افزودن یک صفحهٔ کاهندهٔ نور گرفته شده بود مقایسه کردم. با اینکه نوارهای PWM در تصویر 1s به‌روشنی دیده می‌شدند، پس از اینتگریشن (integration) این نوارها ناپدید شدند و حاصل تقسیم بر فریم master flat با زمان 4s سفید درآمد، یعنی تقریباً هیچ تفاوتی نبود. پس تنظیم نور با PWM عملی است (البته تنظیم با ولتاژ که سوسو نمی‌زند ایده‌آل‌ترین است)؛ و برای صرفه‌جویی در وقت، به نظر می‌رسد گرفتن فقط فریم flat با زمان 1s — و فریم flat dark هم فقط با 1s — کافی باشد.

دوربین CMOS خنک‌شونده: فریم flat را با جریان تاریک flat کالیبره کنید

این نکته تأکید ویژه‌ای می‌طلبد: اگر از دوربین CMOS خنک‌شونده استفاده می‌کنید، فریم‌های flat را با جریان تاریک flat (یعنی همان فریم flat dark) کالیبره کنید، نه با فریم bias. فریم bias معمولاً نمی‌تواند فریم flat را درست کالیبره کند، و اگر فریم flat درست کالیبره نشود، در پایان کالیبراسیون فریم‌های light شکست می‌خورد. شایع‌ترین نتیجهٔ کالیبراسیون نامناسب فریم flat این است که هنگام کالیبره کردن فریم‌های light، کالیبراسیون بیش از حد رخ می‌دهد و هر چهار گوشه روشن می‌شوند.

دام نمایش در فریم‌های flat گرفته‌شده با DSLR

اگر با دوربین DSLR (به‌ویژه Nikon) فریم flat بگیرید، ممکن است جا بخورید: با اینکه روی خود دوربین یا در Photoshop روشن به نظر می‌رسد، در PixInsight کاملاً سیاه است.

علتش این است که داده‌های 14 بیتی درون یک ظرف فایل 16 بیتی جای گرفته‌اند؛ بنابراین برای نمایش درست، نخستین گام این است که با ابزار Histogram نقطهٔ سفید را روی 0.25 تنظیم کنید. این صرفاً یک مسئلهٔ نمایشی است و روی خود داده‌ها اثری ندارد. (من با مثال Nikon D810 Astro mod یک ویدیوی آموزشی ضبط کرده‌ام و همهٔ مراحل را نشان داده‌ام.)

فریم dark: تاریخ انقضا دارد، به‌روزرسانی‌اش را فراموش نکنید

فریم dark چیزی نیست که یک بار بگیرید و تا ابد از آن استفاده کنید. یک بار یکی از دوستان با همان فریم‌های dark قدیمی کالیبره کرد و نتیجه خوب نشد؛ پرسیدم و معلوم شد آن فریم‌ها اوایل سال گرفته شده‌اند — و این بار دیگر تأیید می‌کند که فریم‌های dark باید به‌طور دوره‌ای به‌روز شوند و یک دسته را پس از حدود سه ماه باید دوباره گرفت. اگر بعد از هر کالیبراسیون کمی مشکل می‌بینید، می‌توانید بررسی کنید که آیا مقدار روشنایی پیکسل‌ها در فریم‌های dark قدیمی و جدید به هم نزدیک است یا نه، و از این راه دربارهٔ فرسوده شدن فریم‌های dark قضاوت کنید.

آشنایی با فریم‌های dark در زمان‌های نوردهی مختلف هم ارزش دارد. من یک مجموعه فریم master dark از دوربین QHY 268C (Sony IMX 571) دیده‌ام که از 0 ثانیه تا 600 ثانیه را در بر می‌گرفت؛ مقدار پس‌زمینه هر چند ثانیه که بود تقریباً تغییری نکرده بود (همه حدود 0.0075) و تفاوتی که به چشم می‌آمد این بود که روشنایی پیکسل‌های داغ (hot pixels) با افزایش زمان بیشتر می‌شد. از اینجا یک نتیجهٔ کاربردی به دست می‌آید: اگر پیکسل‌های داغ را جداگانه پردازش می‌کنید (مثلاً با Cosmetic Correction)، آنگاه حتی اگر زمان فریم‌های dark به‌طور موقت با فریم‌های light هم‌خوان نباشد، باز هم می‌توانید از آن‌ها برای کالیبره کردن فریم‌های light استفاده کنید.

راستی، سال‌های اول که مشغول مطالعهٔ فریم‌های کالیبراسیون بودم، از دردسر فریم dark ضربه خورده‌ام: پس از کالیبراسیون، هم‌ترازی ستاره‌ها و اینتگریشن متوجه شدم فریم flat بیش از حد یا کمتر از حد کالیبره شده‌است؛ فریم master flat را از نو تنظیم کردم و همهٔ کار را دوباره انجام دادم، و تازه در آخر کار فهمیدم ریشهٔ مشکل در فریم‌های dark بوده‌است.

یک درس کلاسیک: فریم bias خراب، کل اینتگریشن را از بین می‌برد

در پایان یک مورد را تعریف می‌کنم که تأثیر عمیقی بر من گذاشت. اینتگریشن یک مجموعه داده یکسره شکست خورد (در PixInsight) یا نتیجه‌اش نادرست درآمد (در Astro Pixel Processor)، و با ردیابی ماجرا معلوم شد مقصر فریم bias است که خراب گرفته شده‌است.

این نخستین باری هم بود که با وضعیتی روبه‌رو می‌شدم که در آن یک فریم bias خراب، کل اینتگریشن را از پا درمی‌آورد. پس یک بار دیگر تکرارش می‌کنم: با دوربین CMOS خنک‌شونده، فریم‌های flat را با فریم flat dark کالیبره کنید، نه با bias. و فریم flat که کالیبره نشده باشد در اصل عکسی است که بیهوده گرفته شده و فقط مشکلات تصویر پس از کالیبراسیون را بیشتر می‌کند. اول باید فریم‌های کالیبراسیون را درست بگیرید؛ آن وقت است که دربارهٔ بقیهٔ کار می‌شود حرف زد.